層層堆疊——研究與自製3D列印機

電機工程學系一年級　蘇明廷 

一、創客的進化，全手工到全自動

了解機械背後的運作原理；自製所需的工具，這是每一位創客心中最崇高的理想，但受制於時間或是技術等限制，實現理想往往需要大量的成本去堆疊，甚至在現實的壓迫下變得遙不可及。有想要完成的計畫，但是因為課業原因遲遲沒有時間嘗試，只能隨著時間逐漸埋沒在雜務的風沙中，何其遺憾。

然而隨著科技與時代的更迭，3D列印機的出現讓事情有了轉機，3D列印機大幅減低了製作各式計劃所需的零件的時間，降低了研究與製造的成本，可以在電腦中預先進行3D繪圖，完成後則可以讓3D列印機自動進行生產製造的工作，實現了從全手工到全自動。

知曉3D列印機的優勢後，我即開始研究與自製3D列印機，我將需要突破的難點依據遭遇順序分為:3D列印機結構研究、3D列印機的組裝與操作、3D列印機的調整與除錯。

二、完善理論，廣泛學習3D列印知識

初期我對於3D列印機的各方面皆不熟悉，在硬體層面，我選擇大量且廣泛地觀看網路上的3D列印機文本與影片。學習的同時我也不斷嘗試提出問題，譬如某個零件為何會如此設計?能不能替換成其他的零件?此外我將部分的網站存為書籤，方便後續反覆閱讀以加深記憶。在軟體層面，我透過直接下載切片軟體、3D繪圖軟體等進行操作嘗試，熟悉操作介面。

經過一定時間的學習後，我首先確定了要自製的3D列印機型號為「Prusa i3」，原因是它的相關資源大都是開源的，因此在網路上容易取得，並且許多部件可以借用學校的雷切機與3D列印機製造，例如外框可以用雷切機切割木板製造，底座的部分零件則可以用3D列印製造，這大幅的降低了製造的經濟與時間成本。

三、實作演練，穩扎穩打

積累足夠的理論基底後，我開始收集一台3D列印機所需的零件，基於有限的經濟能力，3D列印機的部分部件我自行製作，如:外框、底座、3D列印件；部分購買二手零件，如:馬達、熱床、控制板、擠出頭與風扇、光軸；甚至有部分零件是在回收場碰運氣撿到的，如:螺桿及部分螺母。收集齊零件後即開始進行組裝，受益於之前廣泛閱讀3D列印機相關的資料，在組裝過程中並沒有遇到問題，以下是組裝完成後的外觀。

四、排除萬難，行百里者半九十

雖然成功的組裝了3D列印機，但是這並不代表列印的成功，調整與除錯3D列印機當屬最困難的，高達數十以至數百個參數可以調整，任何一個參數的偏差都可能導致列印失敗，甚至是機器的損壞，而每一次的損壞都可能造成長時間的維修與重新調校。曾經我因為操作不慎而短路了控制板不到一秒的時間，維修短路控制板造成的損壞就損耗了我數十個小時，反覆的用三用電表查看接線的完整、不斷閱讀控制板的電路圖，只為了最後在一個電子零件上發現一個不足半毫米直徑的小洞。

面對如此高的複雜度的困難，唯一的辦法就是細心的觀察與耐心的學習，我當時使用科學方法結合實驗研究法來解決遇到的問題，亦即為在遇到問題時先透過推測列出假設，再根據假設設計實驗來驗證假設是否正確，並且一次只改變一個變項，細心觀察造成的改變，若無法改善問題或者成效不佳，則重新設計實驗或修正假設，經過反覆實驗與測試，得出相對最好的解決辦法。

接下來我將舉出一個實際的例子以利說明。

組裝完成3D列印機之後，測試3D列印機各項功能時發現使用加熱熱床功能一陣子後有燒焦的味道，隨後發現控制板上有一個電子零件在發燙。經過網路查詢得知此電子元件為「金屬氧化物半導體場效應電晶體」，英文縮寫為MOSFET，功能類似為電子的開關。經過測量得知流過元件的電流約為5.7安培，會造成MOSFET產生高溫，這可能導致MOSFET本身損壞或者人員操作時燙傷，因此解決MOSFET溫度過高的問題具有必要性。

以下列表為我評估與嘗試過的解決辦法：

五、成功自製3D列印機

　　經過長達一個學期的研究，我成功自製了有完整3D列印功能的3D列印機，雖然過程中經歷了無數困難，而我也不是沒有放棄過，但是身為一個創客的執著總是讓我又回到了工作桌前，在這個痛苦的過程中我除了學習了很多新知外，也強健了內心的抗壓能力，讓我在未來更有面對困難的勇氣。

六、不盡完美，學海無涯

這次的計畫中我雖然做出了有完整列印功能的3D列印機，但其實還有許多值得精進的地方，列印時的噪音過大與列印作品表面粗糙等文中未提及的問題。不僅如此，因本次研究的3D列印機僅為FDM型的列印機，還有光固化列印機、金屬燒結列印機等數種列印機，我探索的僅為3D列印機領域中的冰山一角，這些種皆是未來能夠持續改進與探索的方向。